锂硫电池正极材料研究进展

总结了近几年来锂硫电池正极材料的研究进展,简要阐释了锂硫电池正极材料的研究现状、存在的问题及其面临的挑战.通过碳材料的引入,导电聚合物的复合,金属氧化物的添加均不同程度地提高了硫电极材料的电导率,有效抑制了多硫化物的溶解,为体积膨胀提供了空间,从而改善了锂硫电池的活性物质利用率和循环稳定性.简化工艺,降低成本,提高硫的负载量,这将是下一阶段锂硫电池研究的重点.     

金属氧化物用于锂硫电池硫正极材料改性的研究进展

锂硫电池因其能量密度高、原料丰富和价格低廉等优势而被认为是下一代的重要储能器件。但是,锂硫电池的发展仍面临诸多问题,包括多硫化物的穿梭效应、单质硫的导电性差、充电过程中硫体积膨胀导致的库仑效率差、容量快速衰减以及锂负极的腐蚀等。近年来,金属氧化物由于具有可吸附多硫化物、提高多硫化物之间的相互转化能力、形成3D形态纳米级结构及对主体材料与多硫化物之间的结合能发挥着关键作用等优点在锂硫电池正极材料的改性方面得到广泛应用。本文综述了多类金属氧化物(过渡金属氧化物、二元及多元金属氧化物、其他金属氧化物)在锂硫电池正极复合材料改性中的研究进展,并对金属氧化物在锂硫电池中的应用前景进行了展望。     

锂硫电池复合正极研究进展

锂硫电池因其超高的理论能量密度被视为极具前景的下一代电化学储能体系,其中高比容量的硫正极提供了锂硫电池的能量密度优势并直接决定了电池的实际性能。经过数十年的发展,最具前景的硫正极体系分别是硫碳复合（S/C）正极和硫化聚丙烯腈（SPAN）正极。本文系统综述了S/C正极和SPAN正极的最新研究进展。首先,简要介绍了两种正极的工作原理并进行了比较。S/C正极发生固-液-固多相转化反应,充放电表现为双平台特征。与之相比,SPAN正极发生固-固反应,充放电曲线为单平台。然后,对两种正极所面临的挑战和目前报道的优化策略进行了系统的分析与讨论。对于S/C正极,主要调控策略包括电极结构修饰、电催化剂设计与辅助氧化还原介体调控;对于SPAN正极,主要调控策略包括电极结构设计、电极形貌调控、杂原子掺杂和外源性氧化还原介体调控。最后,在电池尺度上对S/C正极和SPAN正极进行了综合比较,并对基于S/C正极和SPAN正极的锂硫电池在未来所面对的机遇与挑战进行了展望。     

锂硫电池硫正极催化转换反应的研究进展

单质硫作为电池的正极材料,其电化学过程历经多个步骤,完全放电生成最终产物是一个2电子反应. 低阶多硫化锂的生成需克服一定的能垒,且由Li₂S₂得到一个电子还原生成Li₂S的反应是速控步骤. 硫正极的反应动力学是决定锂硫电池电化学性能,如比能量、比功率、低温性能等的关键因素. 提高速控步骤的反应动力学还能加速可溶性多硫化锂Li₂S₄向不溶性Li₂S₂和Li₂S的转化,有利于减缓或消除多硫化锂的“穿梭效应”. 近年,已有大量的过渡金属氧化物、硫化物、碳化物、氮化物、磷化物,单原子催化剂和氧化还原电子中继体等被应用于催化硫正极反应,提高了电极的电化学性能和循环稳定性. 但是,目前详细的催化反应机制尚不完全清晰. 本文重点综述了这些化合物在硫正极反应中的作用机制,总结了近年来的研究进展,并对硫正极催化转换反应的研究和发展进行了展望.     

锂硫电池硫正极粘结剂的比较研究

本文将三类粘结剂体系(PVDF、LA133和CMC+SBR)用于构筑锂硫电池硫正极,表征了不同粘结剂材料的官能团结构、结晶性能、热力学性质、电解液吸收性与粘结强度,考察了粘结剂种类对电极电化学性能的影响。结果表明,由1∶1质量比的CMC+SBR制作的硫电极吸液率低,剥离强度低,循环稳定性较差;无定形LA133支持高的粘结强度,维稳电极结构的能力强;PVDF因半结晶状态制约粘结效果,制作的电极吸液量高,但电荷转移阻抗小。基于PVDF制作的硫正极具有相对最优的电化学性能,其0.2C下循环100周后保留的可逆容量达722mAh·g~(-1),容量保持率达82.9%。     

锂硫电池硫碳复合正极材料研究现状及展望

二次锂硫电池被视为最具有发展潜力的下一代高能量密度二次电池之一. 但由于正极硫的电导率低（5×10^-30 S·cm^-1）,且在放电过程中产生的中间体多硫化物易溶于有机电解液,致使锂硫电池活性物质利用率降低,溶解后的多硫化物还会迁移到负极,被还原成不溶物Li2S2/Li2S而沉积于负极锂,使电极结构遭受破坏,造成电池容量大幅衰减,循环性能差,从而限制了进一步的开发应用. 研究表明,以碳作为导电骨架的硫碳复合正极材料能在不同程度上解决上述问题,从而有效提高了锂硫电池的放电容量和循环性能. 本文综述了近年来国内外报道的各种锂硫电池正极材料的研究进展,结合作者课题组的研究,重点探讨了硫碳复合正极材料,并对其今后的发展趋势进行了展望.     

高性能锂硫电池材料研究进展

锂-硫氧化还原对的比能量为2 600Wh/Kg,几乎是所有的二次电池氧化还原对中最高的,当锂-硫电池放电产物为Li2S时,电池的比容量可达到1 675mAh/g.近年来,人们在提高锂硫电池的循环可逆性和硫的利用率方面开展了大量的研究工作.本文结合本实验室的工作综述了锂硫二次电池的最新研究进展,对电池的正极、黏结剂、电解...     

锂硫电池硫膨胀石墨正极材料的电化学性能

应用高温气相扩散沉积法由单质硫制备硫膨胀石墨.该硫膨胀石墨正极可降低反应界面电荷传递阻抗,提高扩散阻抗抑制单质硫或多硫化物在充放电过程的穿梭.其首次放电容量达到972 mAh.g-1,容量保持率为78%,循环效率在80%以上.     

高比能锂硫电池正极材料

锂硫电池被认为是最有发展潜力的新型多电子反应的二次电池体系之一.单质硫与锂反应的理论比容量为1675 mA h g?1,质量比能量达2600 W h kg?1,远远高于现行的传统锂离子二次电池材料.同时硫又具有来源丰富、环境友好等优点.然而,仍然有许多问题制约了锂硫电池的发展与广泛应用.本文综述了近年来锂硫电池正极材料的研究进展.     

锂电池中低成本碳包覆磷酸铁锂正极材料的合成及其性能

磷酸铁锂作为动力锂离子电池的正极材料正逐渐走向市场.以Li3PO4,FePO4,Fe粉以及乙醇为原料,采用高温热分解方法成功地制得乙醇碳包覆的LiFePO4正极材料.实验结果表明,该LiFePO4/C材料颗粒均匀,分散性好,粒径大约在200nm～1μm之间,颗粒表面被碳包覆,颗粒之间由碳纤维连接.该正极材料首次放电容量达137mAh·g-1,首次充放电库仑效率在95%以上,50次循环后,放电容量基本不衰减,显示出良好的循环稳定性和可逆性.本研究降低了锂离子电池的生产成本,显示了良好的工业化应用前景.     

基于生物质的高度有序的管状碳材料及其在锂硫电池中的应用

将棕榈纤维经过炭化和氢氧化钾活化制备高度有序的管状碳材料(OCT),并且将其应用于锂硫电池。所制备的OCT具备高的比表面积和大的孔体积,可以有效地储存硫,合成方法简单且成本较低。同时,所制备的S@OCT复合物呈现出优异的电化学性能。载硫量为65%(w/w)的S@OCT复合材料在0.2C(1C=1 672 mA·g-1)的倍率下库伦效率接近于100%,其首圈容量高达1 255.2 mAh·g-1(1.8 mAh·cm-2),并且100圈后容量保持在756.9 mAh·g-1(1.09 mAh·cm-2)。使用5C的大电流测试时,其首圈容量达到了649.1 mAh·g-1(0.93 mAh·cm-2),且在100圈后容量保持在504.2 mAh·g-1(0.72 mAh·cm-2)。     

基于钴酸锂载体构筑高体积比容量硫基复合材料

锂-硫电池具有高的理论质量/体积能量密度,因而成为最具发展潜力的高比能二次电池体系. 然而,由于硫载体通常采用轻质的碳纳米材料,导致硫基复合材料的振实密度和体积比容量均偏低,制约了电池体积能量密度的提升. 本文尝试采用具有高密度特征的钴酸锂(LiCoO₂)作为硫的载体材料,以构筑高振实密度的硫基复合材料,进而提高硫正极的体积比容量. 研究显示,LiCoO₂对可溶性多硫化物具有较强的吸附作用,能够促进硫的电化学转化,因而提高了硫的活性物质利用率和循环稳定性. 同时,由于具有高的振实密度(1.90 g·cm^-3),S/LiCoO₂复合材料的首周体积比容量高达1750.5 mAh·cm^-3,是常规硫/碳复合材料的2.2倍. 因此,本文利用具有高密度特征的LiCoO₂作为硫载体来提升硫复合材料的体积比容量,有助于实现锂-硫电池的高体积能量密度.     

Catalytically Active CoSe2 Supported on Nitrogen-Doped Three Dimensional Porous Carbon as a Cathode for Highly Stable Lithium-Sulfur Battery

Lithium-sulfur batteries are promising secondary energy storage devices that are mainly limited by its unsatisfactory cyclability owing to inefficient reversible conversion of sulfur and lithium sulfide on the cathode during the discharge/charging process. In this study, nitrogen-doped three-dimensional porous carbon material loaded with CoSe₂ nanoparticles (CoSe₂-PNC) is developed as a cathode for lithium-sulfur battery. A combination of CoSe₂ and nitrogen-doped porous carbon can efficiently improve the cathode activity and its conductivity, resulting in enhanced redox kinetics of the charge/discharge process. The obtained electrode exhibits a high discharge specific capacity of 1139.6 mAh g⁻¹ at a current density of 0.2 C. After 100 cycles, its capacity remained at 865.7 mAh g⁻¹ thus corresponding to a capacity retention of 75.97 %. In a long-term cycling test, discharge specific capacity of 546.7 mAh g⁻¹ was observed after 300 cycles performed at a current density of 1 C.     

石墨烯包覆碳纳米管-硫(CNT-S)复合材料及锂硫电池性能

针对锂硫电池研究与实际应用中遇到的主要问题,本文通过一种简单有效的水热法还原氧化石墨烯对商用碳纳米管-硫(CNT-S)纳米复合材料进行包覆,形成一种可有效抑制多硫聚合物扩散的石墨烯包覆结构。X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM)表征结果表明硫均匀地负载在碳纳米管上,并且在CNT-S复合材料外表面包覆有一层石墨烯。电化学测试结果表明,这种包覆结构能显著提高CNT-S复合材料的锂硫电池性能。     

石墨烯包覆碳纳米管-硫(CNT-S)复合材料及锂硫电池性能

针对锂硫电池研究与实际应用中遇到的主要问题, 本文通过一种简单有效的水热法还原氧化石墨烯对商用碳纳米管-硫(CNT-S)纳米复合材料进行包覆, 形成一种可有效抑制多硫聚合物扩散的石墨烯包覆结构。X射线衍射(XRD), 扫描电子显微镜(SEM)表征结果表明硫均匀地负载在碳纳米管上, 并且在CNT-S复合材料外表面包覆有一层石墨烯。电化学测试结果表明, 这种包覆结构能显著提高CNT-S复合材料的锂硫电池性能。     

锂硫电池正极材料的制备及工艺优化

锂硫电池具有能量密度高、价格低等优势,有希望应用于下一代储能领域. 但锂硫电池仍然存在一些问题,如多硫化物穿梭效应、缺乏有效的锂硫电池规模制备工艺等. 为了解决这些问题,作者以不同商用碳材料（乙炔黑、科琴黑与碳纳米管）和单质硫复合作为正极材料,探究正极制备工艺对多硫化物穿梭效应抑制效果及锂硫电池性能的影响. 通过研究,作者得出以下结论：科琴黑作为单质硫的载体,与单质硫球磨8 h后,匹配粘结剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）制备的正极浆料可实现在涂布和辊压后极片的厚度达到500 μm、压实密度达到991.65 mg·cm ^-3. 作者将最终得到的正极极片应用于高硫载量锂硫软包电池,电池首圈放电容量为137.4 mA·h,经过10圈循环后,放电容量为115.5 mA·h,表现出优异的电化学性能. 该碳硫复合正极材料制备工艺有望在锂硫电池的宏量制备中获得应用.     

用于高性能锂硫电池的二维氮硫共掺杂多孔碳纳米片的快速合成

本工作基于工业炼油产品沥青,开发了一种无金属、氮和硫共掺杂多孔碳纳米片（NSPC）的合成方法。获得的多孔碳纳米片具有高比表面积（339 m²·g^-1）和优异的固硫能力。同时,高含量氮、硫共掺杂可以有效增强碳材料的导电性,同时促进多硫化物的高效催化转化。通过熔融法固硫后,制备得到的NSPC/S电极具有较高的比容量和优异的循环稳定性（在0.6C电流密度下,200次循环后容量为762 mAh·g^-1）,实现了高含量氮和硫共掺杂的二维多孔碳材料的快速批量生产并用于高性能锂硫电池正极材料。